1、VLSI電路與系統課程內容： 第一層次：集成電路工藝基礎 第二層次：CMOS數字集成電路 第三層次：數字集成電路功能模塊分析設計及運用 第四層次：數字集成電路系統設計基礎教材及教學參考教材&教參：數字集成電路-電路、系統與設計電子工業出版社CMOS超大規模集成電路設計（第四版）電子工業出版社現代VLSI設計-系統芯片設計科學出版社超大規模集成電路與系統導論 電子工業出版社第一章 概論超大規模集成電路(Very Large Scale Integrated Circuit，簡寫為VLSI)是泛指各類通用或面向專門用途而設計制造的集成電路 VLSI的設計涉及從電子系統到集成電路制造整個過程

2、。VLSI實現電子系統的同時隱含著知識的集成。VLSI設計師應當具有邏輯抽象、電路技術、器件物理、加工工藝等方面的綜合知識。 系統設計師(VLSI的用戶)掌握了CAD工具的必要部分之后，可以在邏輯級以上的層次獨立設計，以充分發揮他的知識優勢和設計風格。 全新的集成電路生產和市場經營觀念 VLSI生產者必須把產品的快周期開發放在首要位置，力求適時地將產品推入市場以取得優勢。不能因執意追求最佳性能價格比而延誤時機。 VLSI生產線承接外部設計的代理加工，已導致世界性的IC生產線集中經營的趨勢和獨立，分散的VLSI設計行業的興起。 大企業已不再可能簡單地憑借以雄厚財力為基礎的大規模生產壟斷IC市場。

3、許多有志于涉足IC的小公司憑借智力的優勢在短期內也可以為自己開辟出收益頗豐的園地。 集成電路已是各類電子系統發展的基礎技術 計算機的發展就直接依賴于VLSI技術。 通信技術特別是電話通信(包括有線電話和移動通信)也是受VLSI影響很大的又一領域。信號處理技術近年來都成為集成電路特別是專用集成電路應用的重要領域。 日用電子技術和產品 軍事和航天技術的發展對集成電路提出子更為苛刻和更為迫切的要求 在為提高人們健康水平的醫療保健技術領域內，也愈來愈多地使用了各種醫用電子設備和集成電路產品。 娛樂消費類產品。1.2 集成電路的分類 按用途分類-數字集成電路 數字集成電路是用來專門處理數字信號的，各種邏

4、輯門、觸發器、存儲器等電路都是數字集成電路。 數字信號是二進制信號 數字電路的工作特點是:電路輸出的二進制信號與輸入二進制信號有一定的邏輯關系，這個邏輯關系就稱為電路的邏輯函數。在正常的電壓工作范圍內，電壓的幅度是被量化了的：某一電壓范圍代表二進制狀態中的一個狀態，另一電壓范圍則代表了另一個狀態。這兩個范圍之何的不確定范圍應盡可能小，這將使電路完全工作在非線性狀態，如下圖所示。 按用途分類-模擬集成電路 模擬集成電路是對隨時間連續變化的模擬量(電壓或電流等)進行處理(放大或變換)的一類集成電路，它通常又可分為線性集成電路和非線性集成電路。 更廣義些，人們把數字集成電路以外的各種集成電路統稱為模

5、擬集成電路。模擬集成電路中的各種集成化的高、低、中頻放大器、差分放大器和運算放大器等屬于線性集成電路。 模擬集成電路中的各種混頻器，振蕩器、非線性放大器，整流、檢波和函數變換的集成電路則屬于非線性集成電路。 按用途分類-數?；旌霞呻娐?由于數字信號在產生、恢復、傳輸、儲存及其處理方面較之模擬信號有許多獨特優勢，利用數字技術來處理模擬信號的場合愈來愈廣泛。 高清晰度數字電視(HDTV)、數字錄音、數字化語音通信等許多原以模擬信號處理技術為中心的領域都逐步采用了數字技術。 在這些領域內的電子系統或電子設備中同時兼有數字電路、模擬電路，模-數(AD)轉換電路和數-模(DA)轉換電路。 在同一芯片上

6、含有這些電路的集成電路產品通常稱為數?；旌霞呻娐?。按集成度分類 將每片含有100個元件或10個門以下的集成電路稱為小規模集成電路(SSI)； 每片含有10至100個邏輯門或100至1000個元件的集成電路稱為中規模集成電路(MSI)； 每片含100至 5,0O0個等效門或含有1,000至100,000個元件的集成電路稱為大規模集成電路(LSI)； 每片有5,000個門或100,000個元件以上的集成電路則稱為超大規模集成電路(VLSI)。每個邏輯門是指一個等價二輸入與非/或非門 按適用性分類-標準通用集成電路和專用集成電路。 通用集成電路是指不同廠家都在同時生產的用量極大的標準系列產品。這類

7、產品往往集成度高，而且社會需求量大，通用性強。專用集成電路則是根據某種電子設備中特定的技術要求而專門設計的集成電路，簡稱為ASIC。VLSI設計技術取得突破有三方面的基礎一是器件尺寸按比例縮小理論；二是器件縮小后新的物理機制和理論模型的建立；三是計算機輔助設計(CAD)技術的進步。 向集成系統發展；通用電路向專用電路發展；設計、制造、測試等方面的自動化程度愈來愈高高速度、高頻率、大功率、低功耗、耐壓高的集成電路產品亦在不斷研究發展之中。 集成電路的設計過程 ：自上而下 首先確定將設計的電路具有何種性能要求，再確定體系結構，亦即將大系統劃分為相對較為獨立的子系統，依次再進行邏輯設計、電路設計和版

8、圖設計。由于整個設計方法是自上而下形成一條鏈路，所以每完成一步設計都要經過仔細地模擬比較或校驗，確保該步設計正確再轉至下一步的設計。即使在版圖設計完成之后，也還要從版圖中提取參數再進行模擬比較，結果正確再交付生產制造。 圖1-2是自上而下設計方法框圖 集成電路的設計過程 ：自下而上自下而上的設計過程則與自上而下的設計過程相反。這種設計方法是充分利用工藝特性和電特性都相當成熟典型的基本電路單元，自下而上地綜合設計出各種芯片產品的過程。 隨著IP CORE 產品的豐富及完善，這種設計方式越來越受重視。芯片開發設計的5個階段 系統設計階段；電路設計階段；CAD設計階段；樣片生產階段；批量生產階段。

9、在系統設計階段，系統設計者要提出系統的總體指標，其中包括關鍵功能、子系統劃分、各子系統功能特點以及重要的端口特性、功率消耗、封裝要求以及主要的接口要求。既然是在系統總體規劃階段進行設計，只宜對關鍵特性指標作出具體規定，其余細節部分不作苛求，以利后面設計階段有較大的回旋余地。 進行邏輯設計和基本單元電路形式的選定。選擇制造廠商，決定采用什么工藝形式(雙極、MOS)和運用什么樣的設計手段(全定制、門陣列，宏單元或標準單元)。對設計結果進行優化。對優化結果再進行邏輯模擬和時序驗證，以保證邏輯系統正確。要考慮測試方法或測試模式。表1-4列出了在此設計階段用戶和廠商所要從事的工作和協調關系。 在電路設計

10、階段，要將上面各步的設計內容都具體化。 決定引出腳排列、封裝形式邏輯門的具體結構和數量、芯片面積、功率消耗、供電方式(單電源、雙電源以及電源數值)。輸出功率、競爭條件、噪聲余度、主信號通道也都是本階段設計所要考慮的問題。表1-5列出了這設計階段的主要任務 CAD設計過程：需要用到邏輯模擬、故障模擬、電路模擬等許多軟件程序需要單元庫或各種標準單元，布局布線軟件和產生版圖的軟件和接口設備。所有這些軟件程序和接口設備都必須和選定的制造廠商協調一致，以保證通過CAD設計的結果可以投制樣片設計師可以到集成電路制造商的汁算中心去進行設計，也可以在用戶自己的計算機系統或工作站上從事集成電路設計，但是這些計算

11、機系統或工作站的軟件必須與制造商協調一致。 CAD設計階段的最終結果是記錄在軟磁盤或磁帶上的一系列數據。集成電路制造商根據這些數據就能制出一套掩模，用于選定的工藝線試制出電路樣片。制造商再根據用戶提供的測試規范對樣片進行檢測并將結果通告用戶。用戶在收到樣片測試報告后，將硬件測試結果與原系統總體設計指標相比較，如果符合要求，就可準予批量投產。若樣片結果不能令人滿意則需要仔細檢查問題出在哪里，如果原設計過程中有誤，就得對原設計有關部分進行修改或全部重新設計。表17列出了樣片或產品制造階段的任務 工藝選擇- VLSI中常見工藝特點CMOS特點是功耗低、密度高，目前采用H_CMOS工藝，門時延已達0.

12、Xns，是使用最為廣泛的集成電路生產工藝。ECL特點是速度極高、功耗大,需特殊冷卻措施，在對速度有特別要求的地方，ECL仍是主要的制作工藝。 I2L功耗低，速度慢 TTL速度較高，功耗高 全定制設計方法 全定制設計方法有時亦稱為全用戶設計方法和用戶設計方法。這種設計方法完全是由用戶設計師根據所選定的生產工藝按自己的要求獨立地進行集成電路產品設計，這樣可以使所設計的電路具有盡可能高的工作速度，盡可能小的芯片面積和完全滿意的封裝。 全定制這種設計方法，一般也是利用標準單元或單元庫進行設計。這些單元的布置相連線都要用人工布置得盡可能緊湊，所以這種設計過程要花費大量的人力物力和時間。檢驗和改正設計錯誤

13、也是非常艱巨的工作。 全定制設計的產品必須有非常大的產量才能使每塊芯片成本下降。通用的微處理器芯片等都是以全定制設計方法設計制造的。這是因為制造廠商在設計初期就預測到這些微處理器芯片需求量極大，從而希望它們有盡可能好的工作性能和最小芯片面積。 半定制設計方法 這種設計方法是廠商以給定的工藝將硅大圓片事先制成半成品。這種半成品有時稱為母片。例如做成門陣列，這些電路通常在芯片上排列成矩陣形式，相互之間尚未實現電氣連接。電路設計師根據產品要求將半成品芯片上的電路完成恰當的互連以制成產品。門陣列設計方法中通常只需設計少數幾張掩模來完成母片上的金屬電氣連接。 與全定制設計方法相比，半定制設計方法可以節省

14、大雖時間和精力。要開發ASIC產品用全定制設計方法太費時間或產品批量不大，用標準通用商品組件裝配又不能滿足要求，往往采用半定制設計方法。 ASIC的設計和生產周期大為縮短，用戶可以很快得到所定制的芯片，從而使自己的產品迅速投放市場。一般5000門規模的芯片用門陣列方法可以只花半個月時間完成設計，半個月時間完成芯片的生產制造 性能提高、價格下降。例如1000個門的典型CMOS門陣列，售價約5美元。性能更好的標準單元電路產量亦增加很快，且新規格、新品種也不斷涌現 計算機輔助設計系統，各式各樣的工程設計工作站，無論在質量、數量上，發展極為迅速。各半導體生產廠家也為用戶提供越來越方便的各種設計系統，以利用戶從事ASIC設計 集成電路設計與制造過程示意圖集成電路設計與制造過程示意圖 邏輯元件庫，元件版圖庫，邏輯元件庫，元件版圖